Zemax中的点列图的分析方法

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Zemax中的点列图的分析方法

点列图的原理就是显示光学系统在IMA面上的成像。

换句话说,它就就是通过计算,把一系列物方的点通过光学系统以后,成像在IMA面上的情况给实际绘制出来。

为了表现方便,它可以选择一系列预定的模板形式,具体来说,比如一个在轴上的点,从无限远成像到IMA面上,ZEMAX就模拟在无限远有若干个发光点(光束),这些点平行射入入瞳,然后经过光学系统,最后成像在IMA面上。

显然如果光学系统就是完美的光学系统,那么这些点成像点为一个理想的点。

但对于实际的光学系统,就会成像为一个弥散斑。

那么这个弥散斑在IMA面上的像,就就是Spot Diagram。

同理,在非轴上点,也可以参照主光线的角度与位置,形成一系列的发光点,经过入瞳最后成像在IMA面上最后也形成一个弥散斑。

如何通过Spot Diagram观察出光学设计的质量,简单说,这个弥散斑越小越好。

如果您发现弥散斑足够小,满足您对光学系统最小弥散斑的要求(spot diagram的单位就是微米)那么您的光学系统就完全可以进行实际的加工了。

换句话说,就就是您的光学系统已经可以设计完成了。

如何才知道您的光学系统足够的好？这里有个参考,就就是airy 斑的参考。

airy斑就是物理光学的一个概念。

它指出在形成的弥散斑直径在2、44*F*(主波长)以内的时候,该光学系统可以认为就是理想(完美)光学系统。

这样当您在Spot Diagram图中,在setting 菜单中,设置显示airy斑。

然后发现您的点列图完全都在airy斑环之内,您就可以认为您的光学系统设计已经完美。

但实际上,很少有光学系统,可以满足符合airy斑直径的要求。

那么说明您的光学系统有像差。

究竟就是哪种像差在起主要作用？主要的像差有,球差,慧差,像散,场曲,畸变。

这些像差在spot diagram上的表现各不相同。

但由于一个光学系统通常就是各种像差的混合。

因此需要您对spot diagram的形状进行判断。

确认就是主要就是哪种像差,然后通过修改玻璃,或者曲率以及光阑的位置等加以调整。

zemax手把手教程

ZEMAX手把手教程课程1：单透镜（a singlet）你将要学到的：开始ZEMAX，输入波长和镜片数据，生成光线特性曲线（ray fan），光程差曲线（OPD），和点列图（Spotdiagram），确定厚度求解方法和变量，进行简单的优化。

假设你需要设计一个F/4的镜片，焦距为100mm，在轴上可见光谱范围内，用BK7玻璃，你该怎样开始呢？首先，运行ZEMAX。

ZEMAX主屏幕会显示镜片数据编辑（LDE）。

你可以对LDE窗口进行移动或重新调整尺寸，以适合你自己的喜好。

LDE由多行和多列组成，类似于电子表格。

半径、厚度、玻璃和半口径等列是使用得最多的，其他的则只在某些特定类型的光学系统中才会用到。

L DE中的一小格会以“反白”方式高亮显示，即它会以与其他格子不同的背景颜色将字母显示在屏幕上。

如果没有一个格子是高亮的，则在任何一格上用鼠标点击，使之高亮。

这个反白条在本教程中指的就是光标。

你可以用鼠标在格子上点击来操纵LDE，使光标移动到你想要停留的地方，或者你也可以只使用光标键。

LDE的操作是简单的，只要稍加练习，你就可以掌握。

开始，我们先为我们的系统输入波长。

这不一定要先完成，我们只不过现在选中了这一步。

在主屏幕菜单条上，选择“系统（System）”菜单下的“波长（Wavelengths）”。

屏幕中间会弹出一个“波长数据（Wavelength Data）”对话框。

ZEMAX中有许多这样的对话框，用来输入数据和提供你选择。

用鼠标在第二和第三行的“使用（Use）”上单击一下，将会增加两个波长使总数成为三。

现在，在第一个“波长”行中输入486，这是氢（Hydrogen）F谱线的波长，单位为微米。

Z EMAX全部使用微米作为波长的单位。

现在，在第二行的波长列中输入587，最后在第三行输入656。

这就是ZEMAX中所有有关输入数据的操作，转到适当的区域，然后键入数据。

在屏幕的最右边，你可以看到一列主波长指示器。

ZEMAX光学设计软件操作说明详解_光学设计

ZEMAX光学设计软件操作说明详解_光学设计.txt9母爱是一滴甘露，亲吻干涸的泥土，它用细雨的温情，用钻石的坚毅，期待着闪着碎光的泥土的肥沃；母爱不是人生中的一个凝固点，而是一条流动的河，这条河造就了我们生命中美丽的情感之景。

ZEMAX光学设计软件操作说明详解介绍这一章对本手册的习惯用法和术语进行说明。

ZEMAX使用的大部分习惯用法和术语与光学行业都是一致的，但是还是有一些重要的不同点。

活动结构活动结构是指当前在镜头数据编辑器中显示的结构。

详见“多重结构”这一章。

角放大率像空间近轴主光线与物空间近轴主光线角度之比，角度的测量是以近轴入瞳和出瞳的位置为基准。

切迹切迹指系统入瞳处照明的均匀性。

默认情况下，入瞳处是照明均匀的。

然而，有时入瞳需要不均匀的照明。

为此，ZEMAX支持入瞳切迹，也就是入瞳振幅的变化。

有三种类型的切迹：均匀分布，高斯型分布和切线分布。

对每一种分布（均匀分布除外），切迹因素取决于入瞳处的振幅变化率。

在“系统菜单”这一章中有关于切迹类型和因子的讨论。

ZEMAX也支持用户定义切迹类型。

这可以用于任意表面。

表面的切迹不同于入瞳切迹，因为表面不需要放置在入瞳处。

对于表面切迹的更多信息，请参看“表面类型”这一章的“用户定义表面”这节。

后焦距ZEMAX对后焦距的定义是沿着Z轴的方向从最后一个玻璃面计算到与无限远物体共轭的近轴像面的距离。

如果没有玻璃面，后焦距就是从第一面到无限远物体共轭的近轴像面的距离。

基面基面（又称叫基点）指一些特殊的共轭位置，这些位置对应的物像平面具有特定的放大率。

基面包括主面，对应的物像面垂轴放大率为＋1；负主面，垂轴放大率为－1；节平面，对应于角放大率为+1；负节平面，角放大率为－1；焦平面，象空间焦平面放大率为0，物空间焦平面放大率为无穷大。

除焦平面外，所有的基面都对应一对共轭面。

比如，像空间主面与物空间主面相共轭，等等。

如果透镜系统物空间和像空间介质的折射率相同，那么节面与主面重合。

分析点列图

Zemax中的点列图的分析方法(2011-03-12 21:22:48)分类：光学设计Zemax标签：zemax光学设计资料来源：Zemax manual,网络点列图的原理是显示光学系统在IMA面上的成像。

换句话说，它就是通过计算，把一系列物方的点通过光学系统以后，成像在IMA面上的情况给实际绘制出来。

为了表现方便，它可以选择一系列预定的模板形式，具体来说，比如一个在轴上的点，从无限远成像到IMA面上，ZEMAX就模拟在无限远有若干个发光点(光束)，这些点平行射入入瞳，然后经过光学系统，最后成像在IMA面上。

显然如果光学系统是完美的光学系统，那么这些点成像点为一个理想的点。

但对于实际的光学系统，就会成像为一个弥散斑。

那么这个弥散斑在IMA面上的像，就是Spot Diagram。

同理，在非轴上点，也可以参照主光线的角度和位置，形成一系列的发光点，经过入瞳最后成像在IMA面上最后也形成一个弥散斑。

如何通过Spot Diagram观察出光学设计的质量，简单说，这个弥散斑越小越好。

如果你发现弥散斑足够小，满足你对光学系统最小弥散斑的要求(spot diagram的单位是微米)那么你的光学系统就完全可以进行实际的加工了。

换句话说，就是你的光学系统已经可以设计完成了。

如何才知道你的光学系统足够的好？这里有个参考，就是airy斑的参考。

airy斑是物理光学的一个概念。

它指出在形成的弥散斑直径在2.44*F*(主波长)以内的时候，该光学系统可以认为是理想(完美)光学系统。

这样当你在Spot Diagram图中，在setting菜单中，设置显示airy斑。

然后发现你的点列图完全都在airy斑环之内，你就可以认为你的光学系统设计已经完美。

但实际上，很少有光学系统，可以满足符合airy斑直径的要求。

那么说明你的光学系统有像差。

究竟是哪种像差在起主要作用？主要的像差有，球差，慧差，像散，场曲，畸变。

这些像差在spotdiagram上的表现各不相同。

实验二ZEMAX中的像质评价方法

实验二ZEMAX中的像质评价方法实验二ZEMAX 中的像质评价方法一、实验目的了解ZEMAX的各种像质评价方法。

二、ZEMAX的像质评价方法ZEMAX提供丰富的像质评价指标，现结合D=0.5，相对孔径1/4、视场94°的1/6英寸CCD 广角物镜色合计参数，将主要评价结果介绍如下。

表3-1 广角物镜结构参数序号半径R 间隔d 玻璃外径D1 ∞0.6 K9 1.62 1.109 0.6 0.93 3.448 1.0 LAK3 1.14 -18.705 0.5 1.15 光阑0.1 0.356 -2.89 1.0 LAK3 0.417 -1.7 0.1 1.18 2.29 1.0 K9 1.19 -1.7378 0.6 ZF7 1.110 -14.791 1.11、几何像差曲线(1)球差曲线（Longitudinal Aberration）纵坐标是孔径，横坐标是球差（色球差）。

(2)焦点色位移（Focal Shift）表示的是系统工作波长范围内不同波长的色光近焦距位移。

横坐标表示焦点位移，纵坐标为不同色光的波长，整个图形以主波长的近轴焦点为参考基准。

（3）轴外细光束像差曲线（Field Curv/Dist）左图为像散场曲曲线，右图为畸变曲线，纵坐标为视场，左图横坐标是场曲，右图是畸变的百分比值。

（4）子午光束与弧矢光束垂轴像差曲线(Ray Fan)横坐标表示光束孔径高度，纵坐标表示垂轴像差，EY表示δy′(子午)，EX表示δz′(弧矢)。

（5）垂轴色差（倍率色差）(Lateral Color)横坐标表示不同色光与参考色光像高的像差，纵坐标表示视场。

图中两条AIRY表示的曲线为艾里斑范围。

2、点列图(Spot Diagram)点列图下方给的数可以看出每个视场的RMS RADIUS（均方根半径值）、AIRY光斑半径、GEO RADIUS为几何半径（最大半径），值越小成像质量越好。

另外根据分布图形的形状也可了解系统的各种几何像差的影响，如是否有明显像散或彗差特征，几种色斑的分开程度如何等。

点列图看图方式

spot diagram的看图方式说明光学设计程序zemax中有个很常用的评测光学系统质量的分析工具－spot diagram，中文翻译就是点图，借助它可以形象的对光学系统成像进行很好的描述。

这里写下本人对spot diagram的体会和认识。

可以通过多种方式在zemax中显示点图，方式一：直接点击在屏幕菜单工具栏中的“Spt”按钮；方式二：选择菜单Analysis-Spot Diagrams-Standard。

点图的原理是显示光学系统在IMA面上的成像。

换句话说，它就是通过计算，把一系列物方的点通过光学系统以后，成像在IMA面上的情况给实际绘制出来。

为了表现方便，它可以选择一系列预定的模板形式，具体来说，比如一个在轴上的点，从无限远成像到IMA面上，zemax就模拟在无限远有若干个发光点，这些点平行射入入瞳，然后经过光学系统，最后成像在IMA面上。

显然如果光学系统是完美的光学系统，那么这些点成像点为一个理想的点。

但对于实际的光学系统，就会成像为一个弥散斑。

那么这个弥散斑在IMA面上的像，就是Spot Diagram。

同理，在非轴上点，也可以参照主光线的角度和位置，形成一系列的发光点，经过入瞳最后成像在IMA面上最后也形成一个弥散斑。

如何通过spot diagram看光学设计的质量，简单说，这个弥散斑越小越好。

如果你发现弥散斑足够小，满足你对光学系统最小弥散斑的要求（spot diagram 的单位是微米）那么你的光学系统就完全可以进行实际的加工了。

换句话说，就是你的光学系统已经可以设计完成了。

如何才知道你的光学系统足够的好？这里有个参考，就是airy斑的参考。

airy 斑是物理光学的一个概念。

它指出在形成的弥散斑直径在2.44*F*(主波长)以内的时候，该光学系统可以认为是理想（完美）光学系统。

这样当你在spot diagram 图中，在setting菜单中，设置显示airy斑。

然后发现你的点图完全都在airy 斑环之内，你就可以认为你的光学系统设计已经完美。

学习：ZEMAX序列工作模式

ZEMAX的序列工作模式简介本资料的主要内容包括：∙ Layouts (外形图)∙ Spot Diagrams (点列图)∙ Ray and Optical Path Difference (OPD) Fans (光线及光程差曲线)∙ MTF (调制传递函数)的计算∙扩展光源的仿真∙离轴系统∙系统孔径，视场，及波长数据一、什么是序列光线追迹在用光学软件模拟光通过光学系统的传播时，做光线追迹是一种常用的方法。

通过光线追迹来模拟光的传播通常称为几何光学。

所谓的序列光线追迹，就是对光学面事先定义一个顺序，光线的传播按照从物面到像面的顺序进行，如按图1中的箭头方向。

按照已定义好的顺序，光线与每个面只相交一次。

这些按顺序排好的光学面可以充分反映成像系统的性质。

序列光线追迹方法的数值运算速度非常块，特别适用于对系统的设计、优化和容差分析。

这种方法还可以给出系统的ray fan plots(光线扇曲线)，做衍射计算，以及计算波前像差。

图1 序列模式下光线的有序传播很多传统的光学系统都属于成像系统，包括摄影物镜、摄远镜头、显微镜、望远镜、中继透镜和光谱仪。

二、ZEMAX的图形用户界面第一次打开ZEMAX(无论是演示版还是完整的注册版)，用户看到的是main menu bar(主菜单栏)，button bar (按钮栏)，和Lens Data Editor (LDE，透镜数据编辑器)。

ZEMAX的所有功能都可以通过main menu bar上的各个菜单访问。

其中的大部分功能可通过main menu bar下面的按钮栏访问，所指定的按钮可通过"File > Preferences"操作来改变。

按钮栏的下面是Lens Data Editor，其窗口可以移动，窗口大小也可变化。

Lens Data Editor有Comments(注释), Radius(半径), Thickness(厚度), Glass(玻璃)，and Semi-Diameter(半口径，即径向无遮挡部分的口径)，和Conic constant(二次曲面系数)，其中后5项用于描述光学元件的主要特征。

[整理版]zemax手把手教程

[整理版]zemax手把手教程ZEMAX手把手教程课程1:单透镜(a singlet)你将要学到的:开始ZEMAX，输入波长和镜片数据，生成光线特性曲线(ray fan)，光程差曲线(OPD)，和点列图(Spotdiagram)，确定厚度求解方法和变量，进行简单的优化。

假设你需要设计一个F/4的镜片，焦距为100mm，在轴上可见光谱范围内，用BK7玻璃，你该怎样开始呢,首先，运行ZEMAX。

ZEMAX主屏幕会显示镜片数据编辑(LDE)。

你可以对LDE窗口进行移动或重新调整尺寸，以适合你自己的喜好。

LDE由多行和多列组成，类似于电子表格。

半径、厚度、玻璃和半口径等列是使用得最多的，其他的则只在某些特定类型的光学系统中才会用到。

LDE中的一小格会以“反白”方式高亮显示，即它会以与其他格子不同的背景颜色将字母显示在屏幕上。

如果没有一个格子是高亮的，则在任何一格上用鼠标点击，使之高亮。

这个反白条在本教程中指的就是光标。

你可以用鼠标在格子上点击来操纵LDE，使光标移动到你想要停留的地方，或者你也可以只使用光标键。

LDE 的操作是简单的，只要稍加练习，你就可以掌握。

开始，我们先为我们的系统输入波长。

这不一定要先完成，我们只不过现在选中了这一步。

在主屏幕菜单条上，选择“系统(System)”菜单下的“波长(Wavelengths)”。

屏幕中间会弹出一个“波长数据(Wavelength Data)”对话框。

ZEMAX中有许多这样的对话框，用来输入数据和提供你选择。

用鼠标在第二和第三行的“使用(Use)”上单击一下，将会增加两个波长使总数成为三。

现在，在第一个“波长”行中输入486，这是氢(Hydrogen)F谱线的波长，单位为微米。

ZEMAX全部使用微米作为波长的单位。

现在，在第二行的波长列中输入587，最后在第三行输入656。

这就是ZEMAX中所有有关输入数据的操作，转到适当的区域，然后键入数据。

在屏幕的最右边，你可以看到一列主波长指示器。

【ZEMAX光学设计软件操作说明详解】2-上

第十三章表面类型§1 简介ZEMAX 模拟了许多种类型的光学元件。

包括常规的球面玻璃表面，正非球面，环带，柱面等。

ZEMAX 还可以模拟诸如衍射光栅、“薄”透镜、二元光学、菲涅耳透镜、全息元件之类的元件。

因为ZEMAX 支持大量的表面类型，用常用的电子表格形式安排用户界面就比较困难。

例如，对于一个没有发生衍射的表面，开辟“衍射阶数”一列就没什么必要。

为了使用户界面尽可能不显得乱，ZEMAX 使用了不同的类型界面以便指出定义某一种类型的表面时，需要哪一些数据。

§2 参数数据一个标准的表面可以是一个紧随着一均匀介质（如空气，反射镜或玻璃）的平面、球面或圆锥非球面。

所要求的参数仅仅是半径（半径也可以是无穷大，使之成为一个平面），厚度，圆锥系数（缺省值为0，表示是球面），和玻璃类型的名字。

其他的表面类型除使用一些其他值外，同样使用这些基本数据。

例如，“偶次非球面”表面就是使用所有的“标准”列数据再加上八个附加值，这些附加值是用来描述多项式的系数的。

这八个附加值被称为参数，且被称为参数1，参数2，等等。

要理解的参数值的最重要特性是它们的意思会随着所选择的表面类型的不同而改变意思。

例如，“偶次非球面”表面类型用参数1 来指定非球面近轴抛物线项的系数，而“近轴”面则用参数1 来指定表面焦距。

两个表面同样使用参数1，但用途却不同，因为这两个表面类型永远不会同时在同一个面上使用。

数据存储的共享性简化了ZEMAX 界面，也减少了运行程序时所要求的总内存。

但由于你必须去记每一个参数的作用，是否这样的共享反而会使ZEMAX 用起来变得麻烦呢？回答是否定的，因为ZEMAX始终掌握着你所定义的每一面上的每一个参数代表什么的记录。

当你将一个表面从“标准的”改成其他的表面类型后，ZEMAX 会自动改变参数列的列头以使你知道你对表面上的每一个参数作了什么改动。

所有需要你做的只是在正确的格子中键入适当的数据。

当你将光标从一个格子移动到另一个时，列头会一直显示该格是用来作什么的。

zemax像差图分析讲解

ZEMAX像差深入以及像差各种图表分析初级像差深入近轴光线和远轴光线的概念。

近轴光线和远轴光线都是指与光轴平行的光线，它们都成像在光轴上（下图中画的是主光轴情况）。

缩小的光圈可以拦去远轴光线，而由近轴光线来成像。

总的来说，镜头的像差可以分成两大类，即单色像差及色差。

镜头的单色像差五种，它们分别是影响成像清晰度的球差、彗差、象散、场曲，以及影响物象相似度的畸变。

以下就分别介绍五种不同性质的单色像差：球差是由于镜头的透镜球面上各点的聚光能力不同而引起的。

从无穷远处来的平行光线在理论上应该会聚在焦点上。

但是由于近轴光线与远轴光线的会聚点并不一致，会聚光线并不是形成一个点，而是一个以光轴为中心对称的弥散圆，这种像差就称为球差。

球差的存在引起了成像的模糊，而从下图可以看出，这种模糊是与光圈的大小有关的。

小光圈时，由于光阑挡去了远轴光线，弥散圆的直径就小，图像就会清晰。

大光圈时弥散圆直径就大，图像就会比较模糊。

必须注意，这种由球差引起的图像模糊与景深中的模糊完全是两会事，不可以混为一谈的。

球差可以通过复合透镜或者非球面镜等办法在最大限度下消除的。

在照相镜头中，光圈(孔径)数增加一档（光孔缩小一档），球差就缩小一半。

我们在拍摄时，只要光线条件允许，可以考虑使用较小的光圈(孔径)来减小球差的影响。

彗差是在轴外成像时产生的一种像差。

从光轴外的某一点向镜头发出一束平行光线，经光学系统后，在像平面上并不是成一个点的像，而是形成不对称的弥散光斑，这种弥散光斑的形状象彗星，从中心到边缘拖着一个由细到粗的尾巴，首端明亮、清晰，尾端宽大、暗淡、模糊。

这种轴外光束引起的像差就称为彗差。

彗差的大小既与光圈(孔径)有关，也与视场有关。

我们在拍摄时也可以采取适当采用较小的光圈(孔径)来减少彗差对成象的影响。

像散也是一种轴外像差。

与彗差不同，像散仅仅与视场有关。

由于轴外光束的不对称性，使得轴外点的子午细光束（即镜头的直径方向）的会聚点与弧矢细光束（镜头的园弧方向）的会聚点位置不同，这种现象称为象散。

ZEMAX像差深入以及像差各种图表分析

ZEMAX像差深入以及像差各种图表分析目录[隐藏]•1初级像差深入o1.1球差o1.2彗差o1.3像散o1.4场曲o1.5畸变•2各种像差图表o2.1初级球差大的点列图o2.2初级球差大的垂轴像差o2.3子午慧差大的情况o2.4其慧差和垂轴色差大初级像差深入近轴光线和远轴光线的概念。

近轴光线和远轴光线都是指与光轴平行的光线，它们都成像在光轴上（下图中画的是主光轴情况）。

缩小的光圈可以拦去远轴光线，而由近轴光线来成像。

总的来说，镜头的像差可以分成两大类，即单色像差及色差。

镜头的单色像差五种，它们分别是影响成像清晰度的球差、彗差、象散、场曲，以及影响物象相似度的畸变。

以下就分别介绍五种不同性质的单色像差：球差是由于镜头的透镜球面上各点的聚光能力不同而引起的。

从无穷远处来的平行光线在理论上应该会聚在焦点上。

但是由于近轴光线与远轴光线的会聚点并不一致，会聚光线并不是形成一个点，而是一个以光轴为中心对称的弥散圆，这种像差就称为球差。

球差的存在引起了成像的模糊，而从下图可以看出，这种模糊是与光圈的大小有关的。

小光圈时，由于光阑挡去了远轴光线，弥散圆的直径就小，图像就会清晰。

大光圈时弥散圆直径就大，图像就会比较模糊。

必须注意，这种由球差引起的图像模糊与景深中的模糊完全是两会事，不可以混为一谈的。

球差可以通过复合透镜或者非球面镜等办法在最大限度下消除的。

在照相镜头中，光圈(孔径)数增加一档（光孔缩小一档），球差就缩小一半。

我们在拍摄时，只要光线条件允许，可以考虑使用较小的光圈(孔径)来减小球差的影响。

彗差是在轴外成像时产生的一种像差。

这种轴外光束引起的像差就称为彗差。

彗差的大小既与光圈(孔径)有关，也与视场有关。

ZEMAX初学ray_fan及OPD和spot_diagram等各种图像分析

ZEMAX像差深入以及像差各种图表分析目录[隐藏]•1初级像差深入o1.1球差o1.2彗差o1.3像散o1.4场曲o1.5畸变•2各种像差图表o2.1初级球差大的点列图o2.2初级球差大的垂轴像差o2.3子午慧差大的情况o2.4其慧差和垂轴色差大1初级像差深入(1)副轴和主光轴的概念。

副轴，通过单球面反射镜的曲率中心，但不经过球面通光孔径中心（顶点）的任意一条直线。

主光轴，通过薄透镜两个球面球心的直线，叫做主光轴，也称主轴。

(2)近轴光线和远轴光线的概念。

近轴光线和远轴光线都是指与光轴平行的光线，它们都成像在光轴上（下图中画的是主光轴情况）。

缩小的光圈可以拦去远轴光线，而由近轴光线来成像。

总的来说，镜头的像差可以分成两大类，即单色像差及色差。

镜头的单色像差五种，它们分别是影响成像清晰度的球差、彗差、象散、场曲，以及影响物象相似度的畸变。

1.1轴上点球差是由于镜头的透镜球面上各点的聚光能力不同而引起的。

从无穷远处来的平行光线在理论上应该会聚在焦点上。

但是由于近轴光线与远轴光线的会聚点并不一致，会聚光线并不是形成一个点，而是一个以光轴为中心对称的弥散圆，这种像差就称为球差。

球差的存在引起了成像的模糊，而从下图可以看出，这种模糊是与光圈的大小有关的。

小光圈时，由于光阑挡去了远轴光线，弥散圆的直径就小，图像就会清晰。

大光圈时弥散圆直径就大，图像就会比较模糊。

必须注意，这种由球差引起的图像模糊与景深中的模糊完全是两会事，不可以混为一谈的。

球差可以通过复合透镜或者非球面镜等办法在最大限度下消除的。

在照相镜头中，光圈(孔径)数增加一档（光孔缩小一档），球差就缩小一半。

我们在拍摄时，只要光线条件允许，可以考虑使用较小的光圈(孔径)来减小球差的影响。

1.2彗差是在轴外成像时产生的一种像差。

2-4zemax入门指导说明

Zemax2005盗版软件的安装A、在打开文件压缩包之前，关闭杀毒软件；B、打开文件压缩包，ZEMAX05.exe是主文件，安装。

C、zemax 2005.exe和ZEMAX_CN.exe剪切到ZEMAX安装目录下，用ZEMAX_CN.exe启动就是汉化版。

D、（注意：若文件中不能出现zemax 2005.exe和ZEMAX_CN.exe两个文件，可能是因为杀毒软件把这两个文件当成了病毒文件，解决方法是把杀毒软件卸载后再解压，安装即可。

）E、将CDGM2010.6.AGF文件复制到Glasscat文件夹中，即可使用。

Zemax上机操作指导设计任务：设计一F数为4，焦距100mm的望远物镜。

1、初步操作：a、打开Zemax软件，下拉文件菜单，将下面2项打对勾。

b、设置入瞳直径：下拉系统→通用配置→光圈数值→填写25→确定c、设置波长：下拉系统→通用配置→光波长→选择→F、D、C（Visible）→确定d、在LDE中输入透镜参数：将光标放置在IMA中→下拉镜头数据编辑中的编辑→点插入曲面，在IMA前面插入一行。

e、输入透镜参数，如下表：d、玻璃库调用：工具→目录→玻璃目录→CDGM2010.6.AGF→重新加载目录→退出e、快速聚焦：工具→杂项→快速聚焦。

f、观察2D图：分析→草图→2D图g、观察光线扇形图：分析→特性曲线→光线像差h、观察光程扇形图：分析→特性曲线→光路像差i、观察点列图：分析→点列图→标准点列图j、观察像差图：分析→杂项分析→（要观察的像差图）k、观察剩余像差大小：分析→像差失真系数分析→赛德尔系数分析→SPHA(球差)、COMA(慧差)、ASTI(象散)、FCUR(场曲)、DIST(畸变)、CLA(轴色)、CTR(垂色)。

2、初步优化：在厚度为100的地方，右键打开，在求解类型中选择Marginal Ray Height（边缘光线高度），会发现100变味了96.08，更新像差曲线，发现像质有所提高。

zemax光学设计软件的使用说明

光学设计软件简介光学设计软件成像设计：CodeV（ORA 公司产品，USA）Zemax（ZEMAX Development CorporationOSLO( Lambda Research Corporation 公司，USA)照明设计：Lightools（ORA 公司产品）ASAPTraceproODIS光通讯设计软件：OptiWave薄膜设计：TFCalc, Filmstar 等nCodeV（ORA 公司产品，USA）——成像光学设计分析软件CodeV（ORA 公司产品，USA）——功能Zemax（Zemax 公司，USA）——光学设计分析软件Oslo（Lambda Research Corporation 公司，USA）——成像设计分析软件Lightools（ORA 公司产品，USA）——照明光学设计分析软件ASAP(Breault Co.) ——照明光学设计分析软件3) 光学设计应用广泛眼镜照相机、CD、VCD/DVD 、DC、DV等扫描仪、复印机、投影仪等显微镜、内窥镜、X光机等日常照明、汽车车灯等望远镜、瞄准仪、测量仪器激光、卫星等光纤通讯等非成像光学、太阳能利用等Zemax 简介Zemax 公司开发光学设计软件•功能完整（设计、分析、优化、公差分析等）•使用方遍•光线追迹算法—序列光线追迹—非序列光线追迹（蒙特卡罗算法）完整的数据表格式输入，编辑方便多功能分析（MTF 、点列图等）多种优化方式公差分析能力其他CAD 文件格式转换等Zemax 软件特点版本SE：标准版XE：完整版EE：专业版（可算非序列）Zemax 用户界面主要有四种用户界面—Editors: 编辑各种光学面参数或其他参数—Graphic Windows: 显示各种图形数据—Text Windows: 显示各种文本数据—Dialog Boxes: 编辑其他各种Window 的数据或报告错误信息。

1）EditorsLens Data Editor：输入透镜参数Merit Function Editor ：优化函数构建Multi-Configuration Editor：多重结构参数定义Tolerance Data Editor ：公差分析函数设定Extra Data Editor：附加数据Non-Sequential Components Editor: 非序列光学系统Lens Data EditorMerit Function EditorMulti-Configuration EditorTolerance Data EditorNon-Sequential Component Editor 2）图形窗口Layout生成dxf 文件Ray FanMTF将物分解为各种空间频率的谱，光学系统的光学特性可视为对各种空间频率的传递和反应能力，从而建立光学传递函数的评价方法。

光学设计软件ZEMAX的基本操作

实验一光学设计软件ZEMAX的基本操作评分：批阅教师：学号: 2018080××姓名：卟卟班级： 181 【实验目的】1.熟悉光学设计软件Zemax操作界面；2.学会输入光学系统光阑（aperture）、波长（wavelength)、视场（field）、镜头数据(Lens Data)等；3.学会查看Ray fan，OPD fan，像差系数、点列图等；4.学会设置系统默认优化函数，执行简单光学设计最佳化；【实验内容】【实验步骤】完成一个双高斯物镜参数输入，入瞳直径50.8mm，有效焦距127mm，在可见光谱范围内使用，视场角20 。

镜头参数如下：图1.1 镜头参数镜头共由六个镜片组成，其中的2和3、4和5分别组成双胶合透镜。

玻璃以及空气厚度如表1.1所示：表1.1 镜头厚度参数一. 初始结构系统孔径：入瞳直径 = 50.8mm根据实验内容，使用了“角”类型设置了3个视场，如表1所示，波长设置如表2所示。

表1 视场（角）表2 波长（μm）根据初级像差理论计算了透镜的初始结构数据，具体数据如表3所示，镜头的结构如图1所示。

表3 透镜面数据图1 镜头结构图二. 初始结构的镜头质量评价在ZEMAX 中利用光学特性曲线图对镜头的像差进行判断分析，结果如图 2 所示P y P x e xe y物面:0.00 (d e g )P y P xe xe y物面:14.14 (d e g )P y P xe xe y物面:20.00 (d e g )C AD -201808021-李小艳-L a b 1-O r i g i n a l .z m x1的组态1横向光扇图2020/12/22最大缩放比例: ± 5000.000 µm .0.4860.5880.656面: 像像质评价结论：初始结构焦距不符合设计要求，其余像差在公差要求范围内，但可能还能够改善。

三. 优化结果经过优化，得到的透镜常用的数据如表5所示，从表中可以看出，系统孔径、有效焦距等数据满足设计要求。

ZEMAX建模及像差分析

如果系统存在场曲，用平的接收平面或者探测器就无法接收到完全清晰的图像。
23
4.5 畸变
• 理想光学系统的一对共轭平面上的放大率相同，但实际系统中，当视场较大时，放大倍率随着视场而改变，即产生畸变。
畸变＝y' y0' y'
0
其中y'为实际像高；y' 为近轴像高 0
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25
大畸变系统的应用
轴向球差
L' A1h12 A2h14 A3h16 ... L' a1U12 a2U14 a3U16 ...
垂轴球差
T ' A1h13 A2h15 A3h17 ... T ' a1U13 a2U15 a3U17 ...
轴向球差曲线
垂轴球差曲线 13
垂直球差所产生的弥散斑：
3.设计光波长的选取
通常选用F、D、C模式及蓝、绿、红；根据特殊需要选取其他波长。 3
4.镜片的输入
镜片半径白色空气厚度
蓝色镜片厚度
镜片材料
4
5.建模后的2D图
5
二、 ZEMAX像差分析 1. 像差分类
轴上像差: 球差、彗差轴外像差: 像散、场曲、畸变色差：位置色差、倍率色差
• 单色像差球差彗差像散场曲畸变
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垂轴像差曲线
由物面上一点发出的许多光线经过光学系统后，由于存在像差，在像面上这些点不交于一点，不同孔径的光线在像平面上的交点与主光线的交点的垂轴偏差，即垂轴像差。它按照瞳坐标和垂轴偏差所生成的曲线就是垂轴像差曲线。
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5. 系统像质评价
5.1 几何像差曲线
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32
5.2 点列图
一、 ZEMAX建模 1.根据不同系统规格选取

学习：球差及球差分析

球差及球差分析几何像差可以分为单色像差和色差。

单色像差：球差，彗差，像散，场曲，和畸变色差：位置色差和倍率色差因为时间的关系，咱们这次课设，主要关注球差。

大家在完成前两个设计题目时，要注意这一点。

知道球差产生的原因；学习使用ZEMAX 中分析像差的两种工具“spot diagram ”(点列图)和 “ray fan plot ”(光线扇曲线)；观察球差同视场，曲率半径，面形等的关系。

对于只有球差而没有其他像差的透镜，球差的产生是因为透镜上以顶点为中心的不同环形区沿光轴方向有不同的焦点。

球差也因此称为区域像差。

为了说明球差球差产生的产生原因，先介绍ZEMAX 中分析像差的两种工具“spot diagram ”(点列图)和 “”(光线扇曲线)。

1光线扇曲线(ray fan plot )a.光线在像面(子午)b.图1光线扇曲线示意图如图1a 所示，光轴同轴外点物组成物面，光学系统位于物面内。

点物向光学系统发出几条光线。

为叙述方便，将这个光学系统看作是一个近轴薄透镜，光阑就位于这个薄透镜上。

在点光源发出的所有光线中，穿过光阑中心那条是主光线。

其余光线在光阑面上沿y 轴方向等间隔排列。

在主光线的两侧各有一条光线刚好穿过光阑的边缘。

我们就形象地将物空间的这种光线结构称为(子午)“光线扇”。

其中主光线和光轴所决定的平面称为子午面。

与此相对应，将通过主光线，并与子午面相垂直的平面称为弧矢面。

主光线向前延伸进入像空间，最后在Y 轴上以某一高度穿过像平面。

上述物发出的其余光线也向像平面方向会聚，并在Y 轴上以不同的高度穿过像平面。

下面开始绘制这样一种曲线，其横坐标对应光阑的y 轴，纵坐标对应像平面的Y 轴。

考察图1a 中的某一条光线，例如光线a ，分别取它在光阑面上的y 坐标和在像平面上的Y 坐标作为点列图上的一对x-y 坐标。

在做点列图时，光线a 的y 坐标取的不是光线a 相对于光轴的位移，而是它相对于主光线穿过点间的位移。

Zemax中的点列图的分析方法2011031221

Zemax中的点列图的分析方法2011 03 12 21Zemax中的点列图的分析方法(2011-03-12 21:22:48)00ZEMAX中有个很常用的评价光学系统质量的分析工具－spot diagram，中文翻译就是点列图，借助它可以形象的对光学系统成像质量进行很好的描述。

ZEMAX中显示点列图的方式有：一：直接点击在屏幕菜单工具栏中的“Spt”按钮；二：选择菜单Analysis-Spot Diagrams-Standard。

点列图的原理是显示光学系统在IMA面上的成像。

换句话说，它就是通过计算，把一系列物方的点通过光学系统以后，成像在IMA面上的情况给实际绘制出来。

显然如果光学系统是完美的光学系统，那么这些点成像点为一个理想的点。

但对于实际的光学系统，就会成像为一个弥散斑。

那么这个弥散斑在IMA面上的像，就是Spot Diagram。

同理，在非轴上点，也可以参照主光线的角度和位置，形成一系列的发光点，经过入瞳最后成像在IMA面上最后也形成一个弥散斑。

如何通过Spot Diagram观察出光学设计的质量，简单说，这个弥散斑越小越好。

如果你发现弥散斑足够小，满足你对光学系统最小弥散斑的要求(spot diagram的单位是微米)那么你的光学系统就完全可以进行实际的加工了。

换句话说，就是你的光学系统已经可以设计完成了。

如何才知道你的光学系统足够的好？这里有个参考，就是airy斑的参考。

airy斑是物理光学的一个概念。

它指出在形成的弥散斑直径在2.44*F*(主波长)以内的时候，该光学系统可以认为是理想(完美)光学系统。

这样当你在Spot Diagram图中，在setting菜单中，设置显示airy斑。

zemax指导书

光学课程设计ZEMAX上机指导例子一望远物镜的设计第一节课，讲解zemax的基本操作界面以及各个菜单的功能。

设计zemax 最基本的例子，并进行初级的像差分析和优化。

1.首先打开zemax，进入主界面可以看到，最上方即是各个菜单栏，每一个栏目下又有许多选项，对应着不同的功能，这在后续讲解中将会结合例子解释。

菜单下面的一个个按键为常用的一些选项的快捷键；中间的窗口是镜头数据编辑器（lens design editor，LDE），是我们进行透镜设计的主要场所。

2.点击菜单中的文件，确认zemax处于序列模式下工作。

Zemax 中有两种模式：序列与非序列。

两种模式均可进行设计，但侧重点有所不同，我们学习的目的是借助于像差分析对所设计的透镜进行优化，这是序列模式的功能，因此设计的第一步即是确认所选的模式为序列模式。

3.在例子一中我们要设计一个F/4，焦距为100mm 的透镜。

F 数的定义为焦距与光阑的比值，所以此透镜的口径即为25mm 。

点击系统，选择通用数据：在弹出的窗口中选择口径（aperture ），在口径类型处选择入瞳直径，数值输入25mm 。

4.点击系统，选择光波长勾选三个波长并如图中输入，或者直接在下方列表中选择可见光所代表的F, d ，C 三个波长；选择2号波长作为主波长。

5.下一步，我们要在LDE 中输入我们设计的透镜的参数。

LDE 初始有三个面：物面（OBJ ）、光阑面（STO ）、像面（IMA ）。

我们设计的单透镜，除了物面像面之外，应该有两个面，所以在LDE 中要插入一个面：点选到LDE的第1行（LDE中物面定义为第0行），在点击编辑中的后插入。

LDE中每一行代表一个面，主要参数有半径、厚度、玻璃材质、半口径等。

物面（第0面）的半径默认设置为无穷（Infinity），厚度也同样为无穷，即光源到第一个面的距离无穷远，所以光源为平行光。

第1、2面共同构成我们所要设置的透镜，根据设计要求，在两个面的半径处分别输入100mm、-100mm。